AKADEMIA OBRONY NARODOWEJ

KATEDRA ROZPOZNANIA WOJSKOWEGO I ARMII OBCYCH

WYKŁAD

RADIOLOKACJA

kpt. dypl. Waldemar SCHEFFS

WARSZAWA 1995

WPROWADZENIE

WPROWADZENIE

Współczesne pole walki ma co najmniej cztery wymiary. Trzy podstawowe to długość, szerokość i wysokość. Czwartym wymiarem jest widmo elektromagnetyczne (spektrum elektromagnetyczne).

Sprawne poruszanie się w trzech pierwszych wymiarach jest bez wątpienia niezbędne i siły zbrojne wszystkich państw czynią wysiłki aby tą sprawność stale zwiększać. Począwszy od drugiej wojny światowej stale wzrasta znaczenie czwartego wymiaru i w tym kierunku dobywa się faktyczny wyścig zbrojeń. Kraje słabo rozwinięte technologicznie, nie dorównujące techniką wojskową, a pragnące operować w konwencjonalnej trójwymiarowej przestrzeni pozostają tzw. „krajami trzeciego świata”. Ewentualny przyszły konflikt można przegrać jeszcze przed jego rozpoczęciem w przypadku niedoceniania przewagi przeciwnika w wymiarze elektromagnetycznym. Dopiero supremacja w czwartym wymiarze pozwoli odnieść bezpośrednie korzyści w przestrzeni „fizycznej”. Sam fakt posiadania wysoko rozwiniętej gospodarki bez docenienia spektrum elektromagnetycznego również skazuje na niepowodzenie i przegraną w ewentualnym starciu zbrojnym. Bardzo dobitnym tego przykładem jest ostatni międzynarodowy konflikt w Zatoce Perskiej.

Teraźniejsze uzbrojenie jest bogato nasycone środkami i systemami elektronicznymi, stały się one jego istotą. Każdy obecnie produkowany samolot, czołg lub okręt jest nośnikiem dziesiątków różnorodnych urządzeń elektronicznych współpracujących ze sobą i wzajemnie się przenikających. W wymiarze spektralnym trwa ciągły wyścig o dominację jednego systemu elektronicznego nad drugim. Wojna jaka trwa w tym wymiarze nie wiąże się z fizyczną agresją jest natomiast istotnym składnikiem równowagi w czasie pokoju i pozwala na ocenę rzeczywistego zagrożenia w okresach napięć i przesileń politycznych. Zaognienie sytuacji politycznej może w konsekwencji doprowadzić do starcia zbrojnego, wówczas każdej fazie konfliktu można przypisać określone charakterystyki emitowanych sygnałów związanych z wykorzystywanymi systemami radarowymi i łącznościowymi. Obserwacja i klasyfikacja tych sygnałów jest podstawowym źródłem informacji o siłach przeciwnika i stopniu jego zaangażowania w konflikt.

Jedny z urządzeń kontrolujących aktywne działanie techniki bojowej potencjalnego przeciwnika są urządzenia radarowe (radiolokacyjne).

Celem nniejszego wykładu informacyjnego jest zapoznać panów z podziałem urządzeń radiolokacyjnych oraz najnowszymi technikami wykrywania i określania współrzędnych obiektu lub celu. W wystąpieniu noim chciałby przedstawić panom ide radarów trudno wykrywalnych oraz lotniczego radaru impulsowo-dopplerowskiego.

1. OGÓLNE WIADOMOŚCI O RADIOLOKACJI

Radiolokacja to dział radiotechniki, zajmujący się wykrywaniem i określaniem położenia obiektów za pomocą fal radiowych. Termin radiolkacja pochodzi od łącińskich słów RADIUS - promień, LOKUS - miejsce. Jego odpowiednikiem jest angielskie określenie RADAR od słów Radio Aids for Defence and Reconnaissance (radiowe pomoce do obrony i rozpoznania). Amerykański odpowiednik tego słowa to - Radio Detection and Ranging (wykrywanie i namierzanie za pomocą radia). Wszystkie obiekty, które mogą być wykryte przez radiolokator (samoloty, okręty, rakiety, budynki, chmury itp.), nazywane są celami radiolokacyjnymi, zaś sygnał pochodzący od tych obiektów echem radarowym lub echem (sygnałem echa). Współrzędne celów radiolokacyjnych określa się na podstwie sygnałów odbitych od ich powierzchni lub sygnałów przez nie emitowanych. Urządzenia przeznaczone do tego celu nazywane są stacjami radiolokacyjnymi, radiolokatorami lub radarami.

UWAGA! W wojska radiotechnicznych OP przedmioty wykryte przez stację radiolokacyjną nazywa się obiektem. Obiekty niezidentyfikowane lub obce (nieprzyjacielskie) nazywa się celami.

1.1. Metody Radiolokacji

W radiolokacji wykorzystuje się promieniowanie ciągłe fal elektromagnetycznych lub promieniowanie impulsowe, przy czym ta ostatnnia jest najbardzeij rozpowszechniona. Do jej zalet należy możliwość generacji sygnału bardzo dużej mocy rzędu megawatów w postaci impulsu o czasie trwania rzędu milionowej sekundy przy stosunkowo małej mocy średniej nadajnika, możliwość jednoczesnego wykrywania i pomiaru współrzędnych dużej liczby obiektów oraz wykorzystanie jednej anteny do nadawania i odbioru sygnałó. Ze względu na sposób uzyskiwania sygnału echa metody radiolokacji dzielimy na:

1. Aktywną z pasywną odpowiedzią

1. Aktywną z aktywną odpowiedzią

1. Półaktywna

1. Pasywna

1. Metoda aktywna z pasywną odpowiedzią.

Wielkość echa zależy od powierzchni skutecznej odbicia obiektu.

Właściwości:

• fala fozchodzi się prostopadle do obiektu;

• określana jest prędkość i czas trwania impulsu oraz czas powrotu impulsu (paczki imp.);

• określa wysokość;

• określa wysokość.

2. Medoda aktywna z aktywną odpowiedzią.

Mwtoda ta odnosi się do do obiektów własnych np do identyfikacji ''swój - obcy „. Metodę tę stosuje się w celu:

• zapytania swój-obcy;

• zdalnym sterowaniu;

• radiolatarnie.

Zasada działania:

SRL wysyła sygnał sondujący, który odbiera odbiornik zainstalowany w obiekcie. Sygnał z odbiornika uruchamianadajnik. Ten z koleji wytwarza sygnał odpowiedzi. Metoda ta może być wykorzystan tylko na obiektach wyposażonych w urządzenie odbiorczo nadawcze.

3. Metoda półaktywna

W metodzie tej wykorzystuje się jeden nadajnik i conajmniej jeden odbiornik. Odbite echo z opromieniowanego obiektu jest odbierane z różnych punktów przez odbiorniki. Metoda znalazła zastosowannnie w systemach kierowania pocisków rakietowych, które w danym przypadku wyposarza się jedynie w odbiornik sygnałów kierujących.

4. Metoda pasywna

Metoda ta polega na odbiorze naturalnego lub szcztucznego promieniowania obiektu. Składa si tylko z części odbiorczej. Jej zastosowania jest szroko rozpowszechnione w systemach samonaprowadzających się pocisków, w radiopelengacji, systemach radiolokacyjnego rozpoznania SRL przeciwnika oraz w badaniach przestrzeni kosmicznej.

Porównują poszczególne SRL wprowadza się dwa podstawoe pojęcia charakteryzujące podstawowe parametry stacji, są to parametry taktyczne i techniczne.

Pod pojęciem parametrów taktycznych SRL rozumiemy wielkości charakterystyczne możliwości bojoego jej wykorzstania.

PARAMATRY TAKTYCZNE STACJI RADIOLOKACYJNYCH

1. Obszr przeszukiwania przestrzeni ograniczona minimum i maksymum odległości wykrycia obiektów oraz szerokością azymutu i kąta elewacji, a więc górn i dolną granicą strefy informacji. Maksywalnym zasięgiem nazywamy odległość, na której stacja wykrywa obiekty z określonm prawdopodobieństwem. Najczęściej w danych taktyczno-technicznych stacji zasięg okresla się dlaprawdopodobieństwa 0,5 bez względu na warunki atmosferyczne. Rys. 1.1. Charakterystyka pionowa wiązki elektromagnetycznej SRL z zaznaczonymi wskaźnikami ją charakteryzującymi. Rys. 1.2. Maksymalne zasięgi wykrywania dla dwóch SRL w funkcji prawdopodobieństwa wykrycia.

1. Okres przeszukiwania - jest to czas jednokrotnego przeglądu wszystkich elementów obszaru przeszukiwania. Zależy on od sposobu przeszukiwania i wielkości obszaru przeszukiwanego. Zawarty jest w granicach od części sekundy do kilkudziesięciu sekund. Czas przeszukiwania zależy również od maksymalnej szybkości poruszania się obiektu i jego manewrowości. Powinien być wystarczający dla ciągłej obserwacji obiektu. W przypadku SRL pracującej okrężnie okres przeszukiwania charakteryzuje liczba obrotów anteny na minutę. Skutek przeszukiwania przestrzeni za pomocą anten o charakterystykach kierunkowych, sygnał odbity (echa) zmodulowany jest amplitudowo, taki sygnał echa nazywany jest paczką inpulsów. t_i - czas trwania impulsu sondujcego odbitego od obiektu; T_p - okres powtarzania impulsów odbitych od obiektu; T_A - okres przeszukiwania; T_s - czas trwania paczki impulsów; n - ilość impulsów w paczce. Rys.1.3. Paczki impulsów zmodulowane amplitudowo

1. Ilość i rodzaj określanych współrzędnych zależy od rodzeju ASRL. Najczęściej określane są: odległość rzeczywista do obiektu R, kąt elewacji ε , wysokość H, kąt azymutu β.

1. Dokładność określania współrzędnych, zależy od błędów systematycznych i przypadkowych występujących w procesie pomiaru.

1. Rozróżnialność współrzędnych określa zdolność rozdzielczą pomiarów współrzędnych obiektów położonych blisko siebie.

• rozróżnialność SRL w odległości nazywa się tak minimalną odległóść między dwoma odległymi punktami o tych samych współrzędnych kątowych, przy której można określić odległóść do każdego obiektu;

• rozróżnialność w azymucie nazywa się taką minimalną różnicę azymutu dwóch obiektów posiadających identyczne odległości i kąt wzniesienia (elewacji) przy której możliwy jest oddzielny pomiar azymutu dla każdego z tych dwóch odiektów

1. Odporność na zakłócenia jest to prawdopodobieństwo wykrycia obiektu i możliwość oceny jego współrzędnych z wymaganą dokładnością i rozróżnialnością w warunkach działania różnorodnych zakłóceń zewnętrznych. Stacje można uodpornić na zakłócenia przez:

• pracę w szerokim zakresie częstotliwości;

• szybkie przestrajanie;

• pracę wielokanałową;

• zmianę częstotliwości powtarzania;

• zmianę polaryzacji promieniowanego sygnału;

• zwiększenie zakresu dynamicznego urządzeń odbiorczych wskaźnikowych.

1. Niezawodność działania - jest to prawdopodobieństwo bezawaryjnej pracy w ustalonym czasie. Właściwości eksploatacyjne:

• miejsce rozlokowania stacji;

• czas rozwijania i zwijania stacji;

• ciężar;

• wymiary;

• warunki obsługi;

• warunki klimatyczne.

PARAMATRY TECHNICZNE STACJI RADIOLOKACYJNYCH

1. Częstotliwość nośna lub długość fali λ

1. Moc promienioqwania. Rozróżnia się moc w impulsie, moc średnią.

1. Parametry modulacji sygnału

1. SRL z promieniowaniem ciągłym:

• modulacja fazowa

• modulacja częstotliwościowa

2. Praca w impulsowa

• modulacja impulsowa

• modulacja amplitudy impulsu MJ;

• modulacja położenia (fazy) impulsu MP;

• modulacja szerokości impulsów MDJ.

4. Metoda pomiaru odległości:

• fazowa

• częstotliwościowa;

• impulsowa.

5. Metody pomiaru współczynników kątowych. (warunkiem jest prostolinijnoć rozchodzenia się fal i możliwość kierunkowego promieniowania oraz odbioru fali):

• fazowa;

• amplitudowa;

• amplitudowo-fazowa.

6. Kształt i szerokość charakterystykikierunkowej anteny oraz jej zysk. W zależności od przeznaczenia stacji radiolokacyjnej, ilości i rodzaju określanych współrzędnych antena formuje charakterystyki o wymaganym kształcie.

7. Sposoby przeszukiwania przestrzeni:

• mechaniczny;

• elektroniczny;

8. czułość urządzenia odbiorczego nazywana minimalną wartością mocy na wejściu odbiornika, przy której występuje możliwość wykrycia obiektu z określonym prawdopodobieństwem.

1.2 Wykorzystanie pasma mikrofalowego od 1 do 18 GHz praz urządzenia radiolokacyjne

Systemy rozpoznania elektronicznego są podstawowym pasywnym narzędziem służącym do monitorowania spektrum elektromagnstycznego w celu wykrycia emisji energii elektromagnetycznej i określenia podstawowych cech, które można przypisać odbieranym sygnałom i ich źródłom, a także wyłowienia informacji użytkowej, jeśli jest przesyłana. Sygnały te można klasyfikować w dwóch jakościowo odmiennych grupach związanych z:

1. radiolokacją i aktywnym przeciwdziałaniem radiolokacyjnym (zakłóceniami);

2. szroko pojętą radiokomunikacją służącą do przesyłania fonii i transmisji danych,

zanalazło to odbicie w specjalizacji systemów rozpoznania SIGINT w kierunku odpowiednio:

• ELINT (Electronic Intrligence);

• COMINT (Communications Inteligence).

Pomiędzy systemami COMINT i ELINT wynikają jakościowe różnice przede wszystkim z charakteru i dynamiki analizowanych sygnałów - sygnały radiotelekomunikacyjne mają wprawdzie charakter ciągły , alesąznacznie słabsze niżimpulsowe sygnału radarowe. Pomimo tych różnic techniki emisji w paśmie mikrofalowym powyżej 1 Ghz stają się do siebie zbliżone.Dlatego tradycyjny podział systemów rozpoznania radioelektronicznego na systemy ELINT-COMINT traci na zasadności. O ile tadycyjnie COMINT nacelowany był na wydobycie treści informacji z przesyłanej transmisji a ELINT na rozpoznanie źródła emisji to współcześnie ze względu na skuteczność metod kodowania, zadania tych systemów ograniczają się wyłącznie do rozpoznania źródeł emisji i lokalizacji.

Środowisko elektromagnetyczne pasma mikrofalowego.

Ze względu na zasadniczo zmieniające się właściwości propagacyjne fal radiowych ze wzrostem ich częstotliwości ugruntował się podział widma na trzy podstawowe zakresy:

- do 1GHz;

- od 1GHz do 18GHz;

- powyżej 18GHz.

Powyżej 1GHz fale radiowe rozchodza się praktycznie w obszarze bezpośredniej widoczności i przez wykorzystanie anten o kształtowanych, silnie kierunkowych charakterystykach możliwa jest precyzyjna kontrola kierunków emisji i odbioru sygnałów. Szeokość wiązki promieniowania anteny jest odwrotnie proporcjonalna do rozmiarów anteny wyrażonych w długościach promieniowanej fali, stąd zwiększanie częstotliwości pozwala na uzyskiwanie większych zysków przy małych, wygodnych do stosowania, antenach - najczęściej parabolicznych, rzadziej tubowych. Jednak ze wzrostem częstotliwości rosną również straty propagacyjne, na które składa się tłumienie swobodnej przestrzeni i straty w realnym środowisku. Powyżej 8-10GHz straty realnego środowiska (zapylenie, absorbcji gazowej i pary wodnej, deszczu) stają się na tyle istotne, że wyraźnie ograniczają realne zasięgi, co wyraża się np. skróceniem odcinków radioliniowych znacznie poniżej zakresu bezpośredniej widoczności wynoszącej około 50 km.

W rozważanym zakresie 1-18GHz pracuje zdecydowana większość eksploatowanych obecnie wojskowych systemów radiolokacyjnych oraz łączności radioliniowej i satelitarnej. Pasmo to jest podzielone na podzakresy oznaczone ogólnie L (1-2 GHz), S (2-4 GHz), C (4-8 GHz) X (8-12,5GHz) i Ku (12,5-18GHz). Coraz częściej częstotliwość graniczna 18GHz jest zastępowana przez 40GHz, ponieważ wartość ta dokładniej odpowiada aktualnym możliwoścoom technologicznym wyrażającym się upowszechnianiem systemów na pasma:

• K (18-26,5GHz);

• Ka (26,5-40GHz).

Systemy radiolokacyjne, których sygnały analizuje ELINT służą do realizacji rozpoznania radarowego o różnym zasięgu, śledzenia konkretnych celów i naprowadzania na nich własnych systemów broni (samolotów, pocisków rakietowych, artylerii przeciwlotniczej itp.), najczęściej wyposażonych w autonomiczne radary bliskiego zasięgu. Wiąże się to z bezpośrednim energetycznym oddziaływaniem na przeciwnika przez bezpośrednie opromieniowywanie jego środków bojowych wiązkami radarowymi niosącymi sygnały sądujące o różnorodnych charakterystykach czasowo - częstotliwościowych. Ponieważ impulsy sondujące radarów po odbiciu od celu i powrocie do odbiornika radaru muszą mieć znaczny stosunek sygnał/szum, rzędu kilkunastu dB, stąd poziom tych sygnałów w otoczeniu celu jest bardzo duży i podatny na detekcję.

Systemy radarowe wykorzystują przede wszystkim sygnały impulsowe, o czasach trwania od kilkudziesięciu ns do 10ms i repetycji od 50Hz do 1-3kHz, a nawet 10-250kHz. Moce w impulsie dochodzą do 1,5MW. Podobną impulsową naturę mają sygnały emitowane przez urządzenia celowo zakłócające łącza telekomunikacyjne i odbiorniki radiolokacyjne, gdyż jest to najskuteczniejszy sposób destrukcyjnego oddziaływania na linię łączności o nieznanych charakterystykach modulacyjnych i kodowych, a więc nie określonym zysku przetwarzania. Dla COMIT-u wymienione sygnały stanowią poważne źródło zakłóceń o charakterze bezpośrednim oraz intermodulacyjnym, ponieważ ich poziomy mogą o kilkadziesiąt dB przekraczać moce sygnałów podlegających rozpoznaniu. Nowoczesne radary coraz częściej operują sygnałami złożonymi o dużej wartości iloczynu Bt gdzie B jest skuteczną szerokością widma sygnału a t czasem trwania sygnału, co wprawdzie zmniejsza ich moc w impulsie, ale jednocześnie upodabnia je do sygnałów radiokomunikacyjnych i zwiększa ogólną nieoznaczoność przestrzeni sygnałowej.

Rozważając środowisko systemu rozpoznania SIGINT w paśmie mikrofalowym należy pamiętać, że podstawowymi wymaganiami stawianymi przed wosjkowymi systemami radarowymi i radiokomunikacyjnymi rzutującymi na stosowane w nich techniki, są:

1. zapewnienie właściwego funkcjonowania na określonym poziomie jakości w warunkach przeciwdziałania radioelektronicznego obejmującego dwa podstawowe aspekty:

• AJ (Antijamming) - odporność na celowo generowane zakłócenia;

• AI (Antiinteercept) - odporność na wykrycie faktu emisji i jej rozpoznanie, przechwycenie transmitowanej informacji oraz rozpoznanie struktury i hierarchi sieci;

2. zapewnienie kompatybilności wewnętrznej i zewnętrznej, pozwalającej na wykorzystanie widma elektromagnetycznego przez wilu użytkowników bez znaczącej degradacji jakości transmisji.

Cechy AI i AJ wykazują przede wszystkim techniki widma rozproszonego (spread spectrum):

• DS (direct sequence)

• FH (frequency hopping),

• TH (time hopping).

Istotą ich jest wprowadzenie (najczęściej metodą dodatkowej modulacji) nadmiarowej informacji, znanej po stronie odbiorczej, która:

• obniża gęstość widmową transmitowanych sygnałów upodabniając je do szumu białego (AI);

• umożliwia korelacyjny odbiór sygnały i tym samym poprawę stosunku sygnał/szum (S/N) przez tłumienie sygnałów nieskorelowanych (AJ + CDMA).

Drugą podstawową techniką protekcji są metody kodowe, także wprowadzające nadmiarową informację, ale skorelowaną ze strumieniem podstawowym i o porównywalnej przepływności. Kodowanie jest bardzo skuteczne przeciwko zakłóceniom impulsowym i jest stosowane obecnie praktycznie we wszystkich systemach, włączając szerokopasmowe.

Na trzecim miejscu należy wymienić metody oparte na kierunkowym emitowaniu i odbiorze sygnałów. Zastosowanie nawet prostych anten kierunkowych uprzywilejowuje w oczywisty sposób daną linię łączności lub kierunek przestrzeni, zmniejszając poziom mocy docierającej do urządzeń rozpoznawczych i jednocześnie obniżając poziom zakłóceń na wejściu odbiornika, a zwiększając moc sygnału użytecznego.

Specyfika zakresu mikrofalowego od 1-18GHz sprawia, że przestrzeń sygnałową dla rozpoznania typu SIGINT tworzą emisję różnorodnych systemów radarowych i łączności:

1. radioliniowych;

2. satelitarnych;

3. telemetrycznych np. IFF;

4. radionawigacyjnych np. MLS;

5. specjalnych o silnej protekcji AI/AJ np.: JTIDS, DARPA;

6. radiolokacyjnych:

• naziemnych:

• - systemów obserwacji obszaru powietrznego;

• - nadzorowania pola walki;

• - systemów kierowania ogniem;

• - systemów OPL;

• - innych;

• lotniczych:

• - przechwytujących AI;

• - wielozadaniowych;

• - rozpoznania powierzchni ziemi (SLAR);

• - systemów obserwacji i kontroli obszaru powietrznego (AWACS);

• - nawigacyjnych;

• okrętowych;

7. zakłócających - przeciwdziałania radioelektronicznego.

2. TENDECEJE ROZWOJOWE TECHNIKI RADAROWEJ

Idea radarów trudnowykrywalnych typu LPI (Low Probability of Intercetp)

Rozwój technologii mikrofalowej oraz techniki cyfrowego przetwarzania sygnałów umożliwił konstruowanie bardzo skutecznych środków rozpoznania radioelektronicznego klasy ESM/RWR, jak również środków zakłóceń i aktywnego zwalczania radarów. Konsekwencją powyższego stało się, że radary różnorodnych systemów wojskowych stały się zbyt łatwo narażone na skuteczne oddziaływanie lub zniszczenie, ponadto ich emisje ujawniając położenie platformy na której są zainstalowane (okręt, samolot, pojazd), w sposób bezpośredni narażają nosiciela radaru. Jednym ze sposobów uniknięcia narażenia radaru na aktywne i pasywne metody przeciwdziałania jest taki dobór parametrów emisji sygnału radaru, który uniemożliwi lub utrudni wykrycie tego sygnału, estymację jego parametrów i określenie jego pozycji. Tego rodzaju radary o trudno wykrywalnym sygnale, określa się w literaturze jako:

• - radary trudnowykrywalne LPI Low Probability of Intercept Radar),;

• - radary ciche, szepczące (Whispeling Radar), w stosunku do których nadrzędnym wymaganiem jest "TO SEE AND NOT TO BE SEEN".

Najskuteczniejszą metodą utrudniającą wykrycie emitowanego sygnału jest rozproszenie jego energii we wszystkich jego wymiarach (częstotliwość, czas, oświetlana przestrzeń) oraz ograniczenie poziomu mocy szczytowej. Odporność radaru na wykrycie jak również właściwości urządzeń rozpoznawczych określa w sposób syntetyczny stosunek α zasięgu wykrywania odbiornika rozpoznawczego R_E do zasięgu radaru:

[1]

gdzie: G_TE - zysk anteny nadawczej radaru na kierunku odbiornika rozpoznawczego;

G_E - zysk anteny odbiornika rozpoznawczego

G_t , G_r -zysk anteny nadawczej i odbiorczej radaru

L_E , L_R -straty w urządzeniu rozpoznawczym i radarze

σ -powierzchnia skuteczna celu wykrywanego przez radar w odległości R_R

δ=P_E /P_R -zysk czułości odbiornika radaru w odniesieniu do czułości odbiornika rozpoznawczego.

Konstruktor radaru cichego dąży do zapewnienia α<1, konstruktor odbiornika rozpoznawczego do α>1.

Powyższą zależność można wyrazić uproszczoną formułą:

[2]

gdzie: k -współczynnik proporcjonalności

τ - czas trwania impulsu radarowego

B_E - skuteczna szerokość pasma odbiornika rozpoznawczego.

Analiza ww. zależności bezpośrednio wskazuje, że obniżenie poziomu listków bocznych anteny radaru i jego zasięgu oraz generacja możliwie długich kodowanych impulsów sondujących istotnie utrudnia wykrycie emisji radaru.

Generalne wnioski wypływające z analizy prowadzą do następujących zaleceń dla projektowania radarów spełniających wymagania LPI:

• możliwie niska moc impulsowa,

• generacja długich kodowanych impulsów sondujących z modulacją częstotliwości lub manipulacją fazy o możliwie niskich poziomach listków bocznych po kompresji,

• propagacja sygnału sondującego w możliwie małym kącie bryłowym (wąski listek główny "ołówkowej" charakterystyki antenowej),

• bardzo niski poziom listków bocznych anteny,

• częsta zmienność rodzaju i parametrów sygnału (czasu trwania, częstotliwości powtarzania, częstotliwości nośnej, rodzaju i parametrów modulacji-kodowania wewnątrz impulsowego),

• elastyczny i adaptacyjny sposób przeszukiwania i analizy przestrzeni poprzez m.in.:

• ograniczenie czasu oświetlania celu wiązką antenową (minimalizacja ilości impulsów) do niezbędnego minimum zapewniającego detekcję celu i estymację jego współrzędnych - detekcja sekwencyjna,

• quasi-losowy wybór opromieniowywanego kąta bryłowego przestrzeni od sekwencji do sekwencji.

Realizacja elastycznego i adaptacyjnego sposobu poszukiwania wymaga zastosowania anten o sterowaniu elektronicznym położeniem wiązki, które gwarantuje uzyskanie efektu jej bezinercyjnego przemieszczania w wymaganym sektorze przestrzeni. Bezinercyjune poszukiwanie powoduje, że nie występuje wówczas klasyczna obwiednia ciągu impulsów jak to ma miejsce przy obracającej się antenie. Jeśli przyjąć ponadto pseudolosowy algorytm skanowania przestrzeni w płaszczyźnie azymutu i elewacji, połączony ze zmienną ilością impulsów w sekwencji oraz ze zmiennością czsęstotliwości nośnej i innych parametrów sygnału, to w odbiorniku rozpoznawczym typu ESM/RWR istotnie utrudnione będzie wykrycie takiej emisji i tym samym jej rozpoznanie.

Wyżej opisane metody protekcji AI wymagają stosowania bezinercyjnej anteny sterowanej elektronicznie i koherentnego nadajnika o rozwiązaniu umożliwiającym szeroką zmianę parametrów sygnału sądującego i zapewniającego możliwość pracy impulsowo-dopplerowskiej z dopuszczalnym wysokim współczynnikiem wypełnienia (T_p /τ).

Orientacyjne szacunki wskazują, że przy zastosowaniu ww. rozwiązań można uzyskać nawet 30-40dB ekwiwalentnego zmniejszenia bilansu energetycznego w odbiorniku rozpoznawczym klasy ESM/RWR, co praktycznie oznacza zbliżenie się do rozwiązania tzw. cichego (niewykrywalnego) radaru.

Należy podkreślić, że niezależnie od wymagań związanych z zachowaniem cichości pracy radaru, użytkownik wymaga by współczesny radar umożliwiał:

• wykrywanie,

• estymację trzech współrzędnych,

• śledzenie,

• identyfikację wielu celi występujących w zadanym kącie bryłowym przestrzeni z właściwymi parametrami.

Zatem ma być to radar:

1. trójwspółrzędny - 3D,

2. wielokanałowy,

3. wielofunkcyjny,

4. typu LPI.

Podstawowe przykłady takich rozwiązań w grupie radarów naziemnych i okrętowych to:

• - PATRIOT,

• - S 300 PMU,

• - MFAR,

• - AN/SPY-1 (SCANFAR)

• -EMPAR

• - Hard

Przykładowe zadania naziemnych radarów wielofunkcyjnych to:

• przeszukiwanie dookólne lub sektorowe przestrzeni powietrznej,

• wykrywanie obiektów w strefie obserwacji i ich identyfikacja,

• śledzenie jednego lub kilku celów,

• podświetlenie celu,

• komunikacja z rakietą, śledzenie rakiety i kierowanie jej lotem,

• komunikacja z satelitą kontrolującym teren operacyjny,

• wyznaczanie parametrów źródeł zakłóceń celem sterowania adaptracyjnego parametrami radaru,

• wykrywanie i klasyfikacja obiektów meteorologicznych,

• adaptacyjne tłumienie zakłóceń czynnych oraz biernych,

• kształtowanie mapy obiektów terenowych,

• serdeczne podziękowanie

3. SAMOLOTOWY RADAR IMPOULSOWO-DOPPLEROWSKI

3.1 Wiadomości ogólne o radarach impulsowo-dopplerowskich

Jednym z istotniejszych urządzeń w awionice samolotów wojskowych od II wojny światowej jest radar pokładowy, którym coraz powszechniej jest tzw. radar impulsowo-dopplerowski (Pulsed Doppler Radar). Idea tego typu radarów nie jest nowowścią, lecz jej zastosowanie w lotnictwie zostało wymuszone przez konieczność obserwacji celów powietrznych poruszających się na małych i bardzo małych wysokościach przez radary znajdujące się z przewyższeniem stosunku do nich, czyli na tle ziemi. Ten rodzaj pracy nosi nazwę "patrzenie w dół" (look down mode).

Postęp w technologii elektronicznej, zarówno w układach mikrofalowych jak i szeroko pojętych układów obróbki sygnału umożliwił budowę radaru, który w istotny sposób ograniczył niekorzystne zjawisko związane z odbiciami od ziemi. Z czasem wykorzystano go do realizacji wielu innych funkcji - radar stał się istotnym elementem współczesnych systemów pokładowych, wojskowych statków powietrznych różnego rodzaju klas i typów.

Radar dopplerowski (RID) stał się swoistym połączeniem idei radaru impulsowego, którego ogólna zasada działania jest powszechnie znana oraz radaru dopplerowskiego.

Ogólnie ujmując radary możemy podzielić w zależności od przyjętego kryterium np. postaci sygnału sondującego, wówczas rozróżniamy radary:

1. z falą ciągłą;

2. impulsowe.

Radary impulsowe ze względu na wartość częstotliwości powtarzania możemy podzielić na:

• radary z niską częstotliwością powtarzania impulsów sondujących;

• radary z średnią częstotliwością powtarzania impulsów sondujących;

• radary z wysoką częstotliwością powtarzania impulsów sondujących;

Ze wzglendu na sposób generacji sygnału sondującego i relacje fazowe pomiędzy generowanymi impulsami sondującymi a sygnałami odbieranymi wyróżniamy:

• radary niekoherentne;

• radary autokoherentne;

• radary pełnokoherentne.

Pod pojęciem radaru impulsowo-dopplerowskiego rozumie się pełnokoherentny radar impulsowy pracujący z wysoką, średnią lub niską częstotliwością powttarzania impulsów, w którym przetwarzanie sygnału echa odbywa się jednocześnie w dziedzinie czasu i częstotliwości z wykorztsaniem metod filtracji dopplerowskiej rys. nr 3.1.

Rys. 3.1. Rodzaje radarów

Radary impulsowo-dopplerowskie wykorzystują w swojej pracy zróżnicowane postacie sygnału sondującego o następujących częstotliwościach powtarzania impulsów:

• - wysokiej (ang. H PRF- High Pulse Repetition Frequency) - 100-200MHz;

• - średniej (ang. M PRF - Medium PRF) 10-30 KHz;

• - niskiej (ang. L PRF - Low PRF) 08-2KHz.

Za niską częstotliwość powtarzania LPRF uznaje się taką częstotliwość powtarzania F_p, która zapewnia w pełnym zakresie zasięgu Kmax radaru jednoznaczny pomiar odległości:

F_p > c/2 R_max., gdzie c jest prędkością propagacji światła.

Przykładowo, jeśli maksymalny zasięg radaru wynosi 150 km, maksymalna częstotliwość powtarzania, która zapewni jednoznaczny pomiar odległości wynosi 1000Hz. Jednocześnie taka niska częstotliwość powtarzania nie zapewnia jednoznacznego pomiaru prędkości radialnej (częstotliwości dopplerowskiej) nawet wolno poruszających się obiektów powietrznych.

Wysoka częstotliwość powtarzania HPRF definiowana jako częstotliwość przy której prędkość radialna celu - częstotliwość dopplerowska zawsze mierzona jest jednoznacznie F_p = f_dmax > 2f₀ V_max /c = 2V_max /λ gdzie f₀ jest częstotliwością nośną radaru a λ długość fali. Typowo dla lotniczego radaru pokładowego pasma X (9 GHz) poruszającego się z prędkością 2 Maha, radar dla zapewnienia jednoznacznego pomiaru częstotliwości dopplerowskiej wymaga częstotliwości powtarzania impulsów w granicach 250 MHz. Jednakże dla tak wysokich częstotliwości powtarzania, zakres jednoznacznego pomiaru odległości wynosi R_u = c/2F_p =600m. W takim przypadku dla zasięgi radaru wynoszącego 150 km pomiar odległości będzie wysoce wieloznaczny.

Średnia częstotliwość powtarzania MPRF, to taka przy której pomiary odległości i prędkości są wieloznaczne.

W rozwiązaniach pokładowych, współcze4sne radary stosują wszystkie trzy częstotliwości powtarzania, w rozwiązaniach radarów naziemnych stosuje się głównie niską częstotliwość powtarzania.

Radary impulsowo-dopplerowskie znajdują powszechne zastosowanie w wielu systemach radiolokacyjnych, w których sygnały echa wykrywane są na tle silnych zakłóceń pasywnych. Jednakże głównie są stosowane w radarach, które pracują w warunkach silnych zakłóceń pasywnych pochodzących od powierzchni ziemi. A więc:

• pokładowych radarach samolotów przechwytujących i wielozadaniowych;

• pokładowych radarach dalekiego wykrywania i ostrzegania (AWACS);

• radarach głowic samonaprowadzalnych;

• radarach naziemnych do zerowania pola walki i sterowania ogniem;

• radarach meteorologicznych.

W wyżej wymienionych zastosowaniach głównie wykorzystuje się wysoką lub średnią częstotliwość powtarzania impulsów sondujących.

3.2 Pokładowy radiolokator impulsowo-dopplerowski

Radar dopplerowski to każdy rodzaj radaru impulsowego, który jest w stanie określić różnicę pomiędzy częstotliwością sygnału wysyłanego przez nadajnik, a częstotliwością sygnału odbitego od obiektu znajdującego się w strefie obserwacji. Różnica ta zwana przesunięciem dopplerowskim wystąpi wtedy, gdy radar i obiekt będą znajdowały się względem siebie w ruchu. Obojętne jest to, czy w ruchu jest nosiciel radaru, obserwowany obiekt, czy też oba jednocześnie.

Specyfiką radaru impulsowo-dopplerowskiego jest to, że detekcja i proces filtracji echa odbywa się jednocześnie w dziedzinie czasu i częstotliwości. Umożliwia to estymację nie tylko takich współrzędnych jak odległość, azymut, ale również prędkość radialną celu. O ile odległość wyznaczana jest na zasadzie pomiaru czasu opóźnienia pomiędzy momentem sondowania a momentem odbioru impulsu echa R=cτ/2, to prędkość radialna celu wyznaczana jest poprzez pomiar częstotliwości dopplerowskiej echa:

[3]

częstotliwość dopplerowską wyznacza się z wzoru:

[4]

gdzie: F_Dc - częstotliwość dopplerowska;

λ - długość fali;

Φ - kąt zawarty pomiędzy wektorem prędkości radaru (samolotu) a kierunkiem celu;

V_R - wektory prędkości radaru (samolotu przechwytującego);

V_c - wektor prędkości celu.

Wielkość przesunięcia dopplerowskiego zależy od prędkości względej radar-obiekt oraz od długości fali promieniowanej energii elektromagnetycznej F_Dc=2V/λ. Długość fali λ dla większości radarów pokładowych jest ok. 3 cm i mniej (kierunki rozwojowe), co odpowiada częstotliwości 10 GHz i więcej.

Jeżeli w strefie obserwacji nieruchomego radaru znajdzie się pojedynczy cel stacjonarny o niewielkich wymiarach, to widmo sygnału odbitego od niego będzie analogiczne w postaci (rys. 3.2), a jedynie amplituda poszczególnych prążków będzie odpowiednio mniejsza (na ogół znacznie). Jeżeli cel będzie poruszał się z prędkością radialną V_c , to wywoła tym ruchem przesunięcie częstotliwości o wartość F_Dc, której znak będzie zależny od kierunku ruchu w stosunku do radaru (dodatnia dla zbliżającego się) - rys. 3.3.

Rys 3.2 i 3.3 Widma sygnału w funkcji częstotliwości. 3.2 Postać sygnału ciągu impulsów radarowych, 3.3 postać sygnału odbitego od ruchomego celu punktowego.

Jeżeli założymy, że również radar będzie się poruszał z prędkością V_R to częstotliwość dopplerowska sygnału odbitego od celu punktowego będzie zależała zarówno od prędkości radialnej celu, jak i prędkości radaru rzutowanej na kierunek obserwacji, który jest na ogół odchylony od kierunku wektora prędkości nosiciela o kąt Φ. Kąt ten odpowiada położeniu listka głównego charakterystyki kierunkowej anteny -rys. 3.4.

Rys. 3.4. Rzeczywista sytuacja obserwcji z uwzględnieniem powierzchni ziemi.

Przykładowo, jeżeli cel i radar poruszają się na kursach spotkaniowych z prędkością 300 m/s, to dla wymienionych parametrów radaru F_dc=40kHz. Jeżeli porównamy ją z typową częstotliwością powtarzania impulsów (PRF) klasycznego radaru impulsowego wynoszącą ok. 1 kHz, to widać, że prążki widma na rys. 3.3 będą oddalone od siebie o 1 kHz, a przesunięcie pomiędzy analogicznymi prążkami dla sygnału nadawanego będą ok. 40-krotnie większe. Niestety nie wiadomo w stosunku do którego z prążków dokonywać pomiaru, co jest określane mianem niejednoznaczności występującej w tym przypadku w częstotliwości.

Radar tak pracujący określany jest mianem radaru z małą częstotliwością powtarzania (LPRF). Jest on wykorzystywany przy lotach na większej wysokości i do wykrywania celów powietrznych w górnej półsferze.

Radar z dużę częstotliwością powtarzania impulsów (HPRF) charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami wykrywania celów przy kursach zbliżeniowych. Jego częstotliwość powtarzania impulsów wach się w granicach od 200 do 300 kHz. Ma wtedy duży zasięg wykrywania nawet przy małej mocy impulsowej ok. kilku kilowatów (duża moc średnia decydująca o zasięgu). Umożliwia eliminację celw bardzo wolno lecących ze względu na możliwość odbóbki widma, czego nie było przy LPRF. Zasięg wykrywania przy kursach zgodnych jest jednak dużo mniejszy - szczegółnie przy locie na małej wysokości.

Rzeczywiste widmo (rys. 3.5) jest bardziej złożone i obejmuje obszar zakłóceń odbieranych listkami boznymi (SLC - sidelobe sluttr). Jest on ograniczony częstotliwościami doppleowskimi wynikającymi z aktualnej prędkości nosiciela radaru. Na SLC wyróżnia się dwa miejsca charakterystyczne: 1 - odbicia na tzw linii wysokości (odbicia bezpośrednio pod samolotem wynikające z małej odległości, dużego współcznynnika odbicia przy prostopadłym opromieniowaniu i czściowo występującego przesiąkania sygnału nadawanego) oraz 2 - zakłócenia odbierane listkiem głównym charakterystyki kierunkowej anteny MLC (mainlobe slutter). Położenia MLC zależy od kąta Φ i jest kontrolowane, gdyż wiadomo, w którą stronę jest skirowana antena w stosunku do wektora prędkości lotu. Jego amplituda jest znaczna i przewyższa amplitudę sygnału użytecznego pochodzącego od celu powietrznego 3, który na ogół ma dużo mniejszą skuteczną powieżchnię odbicia niż opromieniowana powieżchnia ziemi.

Na rys.3.5 przedstawiono również miejsce położenia sygnału od celu w zależności od relacji pomiędzy wektorami prędkości. Najkorzystniejszym przypadkiem dla radaru z HPRF jest oczywiście sytuacja a, gdy cel porusza się w stosunku do radaru kursem zbliżeniowym. Jest on wtedy poza zakresem zakłóceń pasywnych i jego wykrycie ograniczone jest jedynie szumami termicznymi odbiornika. W pozostałych przypadkach (b,c i d) sygnał od celu będzie znajdował się w obszarze zajętym przez zakłócenia pasywne i jego wykrycie będzie utrudnione oraz zależne od stosunku mocy sygnału odbitego od celu (będącego między innymi funkcją skutecznej powierzchni odbicia) od mocy zakłóceń pasywnych na tej częstotliwości. W praktyce zakłada się, że obszry 1 i 2 są nie do wykożystania i na ogół są one eliminowane przez odpowiednią filtrację. Stanowi to podstawową zaletę radarów RID w stosunku do radarów impulsowych.

Rys.3.5. Fragment widma sygnału odbieranego w warunkach rzeczywistych dla radaru z HPRF oraz miejsce położenia sygnału odbitego od ruchomego celu powietrznego z zależności od relacji między wektorai prędkości i nosiciela radaru

Oprócz wykrycia ważne jest określenie odległości do celu. Można to realizować przez klasyczny pomiar czasu pomiędzy wysłaniem sygnału, a jego powrotem po odbiciu od celu. Dla radaru z LPRF ok. 1 kHz jednoznaczny zakres pomiaru odległości wynosi ok. 150 km i przy odpowiednim potencjale energetycznym radaru nie występują problemy z określeniem odległości od celu. Dla HPRF ok. 200 kHz wartość ta wynosi jedynie ok. 750 m, stąd pomiar odległości jest niejednoznaczny i wymaga to dodatkowych zabiegów. Jednym z wykorzystywanych rozwiązań jest wprowadzenia dodatkowej modujacji częstotliwości nośnej, jednak powiar odległości realizowany taką metodą obarczony jest znacznym błędem. Radar z LPRF jednoznacznie mierzy odległość, ale nie jednoznacznie prędkość, natomiast radar HPRF odwrotnie.

Rys.3.6. Zasig wykrywania w zależności od postaci sygnału sondującego i wzajemnych relacji wektorów prędkości nosiciela radarui celu

Trzecim rozwiązaniem coraz powszechniej wykorzystywanym jest zastosowanie średniej częstotliwości powtarzania (MPRF - Medium PRF), obejmujące zakres 10 - 25 kHz. Charakteryzuje się ono, niejednoznacznością pomiaru zarówno częstotliwości, jak i czasu, lecz ograniczenia te nie są tak niekorzystne, jak we wcześniej opisanych przypadkach. Po odpowiedniej obróbce dają się eliminować i umożliwiają budowę radaru o bardzo elastycznych właściwościach przy takiej częstotliwości powtarzania zakłócenia pasywne zaczynają się na siebie nakładać i przyjmuje się, że w przestrzeni odległościowo-dopplerowskiej nie występują obszary od nich wolne.

Rys. 3.7. Zależności widmowe sygnału odbieranego dla MPRF

3.3.Charakterystyka współczesnych lotniczych radarów wielozadaniowych

Radar pokładowy jest coraz częściej radarem wielozadaniowym realizującym funkcje związane z obserwacją obiektów w przestrzeni powietrzej, jak również spełniający szereg dodatkowych funkcji takich jak: nawigacja, rozpoznanie terenu, wypracowanie danych dla systemów sterowania uzbrojeniem i innych charakterystycznych dla danego typu samolotu.

Ze względu na złożoną sytuację radiolokacyjną, dużą dynamikę ruchu oraz stres, jaki toważyszy bojowemu wykorzystaniu radaru pokładowego przez pilota, na ogół jednomiejscowego samolotu, istnieje konieczność maksymalnej automatyzacji przetwarzania informacji dostarczonej przez radar pokładowy na wskaźnikach systemu zobrazowania oraz w określonej postaci przekazywania do urządzeń przeliczających systemu nawigacyjno-celowniczego. Jest ona wykorzystywana między innymi do wypracowania danych przez system sterowania uzbrojeniem.

Impulsowo-dopplerowskie radary pokładowe przedstawi poniższa tabela nr 1.

Tabela nr 1.

Typ samolotu	Typ radaru
F-15	AN/APG-63, AN/APG70
F-16	AN/APG66, AN/APG68
F-18	AN/APG65
TORNADO	Foxhunter
Mirage 2000	RDI, RDY
MiG-21	KOPYO
MiG-29	ZHUK firmy Fazaton
SU-27	ZHUK firmy Fazaton

Radary te można podzielić na dwie podstawowe grupy:

1. Powietrze - powietrze,

1. Powietrze - zieemia.

Funkcje radarów w rodzaju pracy powietrze - powietrze:

• przeszukiwanie przestrzeni z wykorzystaniem optymalnej częstotliwości powtarzania impulsów (MMS - MultiMode Search);

• poszukiwanie celu w prędkości ze zgrubnym określaniem odległości (VS Velocity Search);

• pomiar odległości do celu realizowany w trakcie obserwacji (RWS Range While Search);

• automatyczne śledzenie w czasie obserwacji - obserwacja pełnego sektora przestrzeni (TWS - Track While Search);

• śledzenie pojedyńczego celu realizowane w walce manewrowej na małych odległościach (STT- Single Target Track);

• automatyczne śledzenie wielu celi, najczęściej do 10 (MTT - Multiple Target Tracking);

• zobrazowanie przynależności państwowej - współpraca z urządzeniem systemu IFF (Identification Target Tracking);

• sterowanie uzbrojeniem podczas walki powietrznej (Dogfifht Weapon Launch);

• wykrywanie i zobrazowanie obiektów meterologicznych celem ich omijania (Weather Aviodance ).

Funkcje radarów w rodzaju pracy powietrze - ziemia:

1. W zakresie funkcj nawigacyjnych:

• lot wzdłuż rzeźby terenu (TF - Terrain Following);

• omijanie przeszkód terenowych (TA - Terrain Aviodance);

• precyzyjny pomiar wektora prędkości podróżnej i kąta znoszenia (PVU - Precision Velcity Update);

• radiolatarnia (BCN - Beacon);

2. W zakresie funkcji rozpoznania powierzchni ziemi:

• zobrazowanie mapy terenu z niską rozdzielczością (RBM - Real Beam Maping);

• dopplerowskie zawężenie wiązki - średnia rozdzielczość mapy terenu (DBS - Doppler Beam Sharpening);

• zobrazowanie mapy terenu z wysoką rozdzielczością (SAR - Synthetic Aperture Radar);

• wykrywanie ruchomych celi naziemnych o prędkości większej niż 2-5 km/h (GMTI - Ground Moving Target);

• zamrożone zobrazowanie (Scan Freez);

• pomiar odległości do wykrytych celów naziemnych (nawodnych) wzdłuż linii obserwacji wykorzystywany do celów celowniczych (AGR - Air to Ground Ranging).

Zbiór ww funkcji realizowanych przez radary zależy od przeznaczenia samolotu. Obejmuje on określony zbiór przedstawionych powyżej funkcji lub ich modyfikacji. Przykładowo w radarach lotnictwa morskiego funkcje związane z obserwacją powierzchni morza ulegają rozszerzeniu. Ogólna tendencja jest jednak do produkcji i wykorzystania radarów wielozadaniowych . Np. radar KOPYO dla MiG-21 posiada większość z ww funkcji.

ZAKOŃCZENIE

LITERATURA

Encyklopedia Techniki Wojskowej, MON, 1987, str. 565.

Tomasz Rapacki, Nowetechniki emisji RE, w tym idea pracy współczesnego samolotowego radaru impulsowo-dopplerowskiego, Giżycko 1995r, str 4.

2

G(f)

f_R-1/τ

f_R+1/τ

f_R

PRF

f

G(f)

PRF

f_Dc

f

V_R

H

Φ

Cel

Listek główny

V_C

Szerokość wiązki

Listki boczne

Radar cel

a

b

c

d

ALC-1

PRF

MLC-2

Cel-3

SLC

f

Fmlc

Fmax

Fc

b c,d a

0,5 PRF

270

180

90

0

MPRF

HPRF

---